反渗透海水淡化脱硼技术的研究

王昕彤

目前，越来越多的海上平台利用反渗透技术进行海水淡化，所得淡水除了用作柴油机冷却水、锅炉补给水外，也用作生活饮用水、洗涤水等。尽管海水中的总溶解固含量（TDS）中主要成分如钠、氯和其他一价、二价离子等都较容易被脱除，但是由于海水中的B的水合离子小（直径仅约0.4 nm）和带负电的原因很难通过膜孔被脱除。

本文以渤海某石油开采平台为目标，设计一套产水适于生活饮用的海水淡化试验装置，测试该系统在不同pH值、温度、反渗透级数下脱B效果的影响。

1 装置设计

1.1 海水及产水水质

目标海水为渤海海水（见表1），产水满足《生活饮用水卫生标准》GB 5749-2006。

1.2 工艺流程

海水原水升压泵→还原剂添加系统→絮凝剂添加系统→管道混合器→多介质过滤器→NaOH添加系统→阻垢剂添加系统→20 μm保安过滤器→5 μm保安过滤器→一级RO高压泵→一级RO膜组件→一级RO产水箱→NaOH添加系统→二级RO升压泵→二级RO膜组件→紫外杀菌装置→产水。

表1 海水主要水质指标范围

1.3 RO膜型号的确定

根据海水情况与产水要求，本系统一级海水反渗透膜选用SWC4B，二级超低压反渗透膜选用EXPAB MAX （见表2）。

1.4 RO段设计

RO系统采用两级设计，一级采用一段式，设计回收率35%；二级采用两段式，其设计回收率为80%。

表2 反渗透膜元件主要性能参数

1.5 试验方法

以目标海水四季温度变化范围为5～35℃为限，分析系统运行至第3年时不同进水温度、不同操作pH值等对产水中B浓度的影响。

2 结果与讨论

2.1 海水B浓度较低时水温对脱B效果的影响

以海水水质平均值为设计依据，海水中B含量取5.0 mg/l，海水pH值8.0，一级RO产水量125 m3/d，二级RO产水量100m3/d，通过改变海水温度，考察各级RO的脱B效果（见图1）。

图1 水温对产水B含量的影响

可知，二级RO产水中B含量低于一级RO产水，水温在20℃以下时，一级RO产水中的B含量低于0.5 mg/l，随着温度的升高，产水中B含量升高。二级RO产水B含量均低于0.5 mg/l。这主要是因为，膜系统产水含盐量对进水温度的变化非常敏感，随着水温的增加，水通量几乎线性地增大，但增加水温会导致脱盐率降低。

因此，在海水中B含量较低时，仅运行一级RO即可达到产水标准，可以有效节省运行能耗。

2.2 海水B浓度较高时水温对脱B效果的影响

以海水水质平均值为设计依据，海水中B含量取9.0 mg/l，海水pH值8.0，一级RO产水量125 m3/d，二级RO产水量100 m3/d，通过改变海水温度，考察各级RO的脱B效果（见图2）。

图 2水温对产水B含量的影响

二级RO产水中B含量低于一级RO产水，只有在5℃时，一级RO产水中B含量低于0.5 mg/l；水温在20℃以下时，二级RO产水中B含量低于0.5 mg/l，温度继续升高，产水中B含量超标。

因此，在海水中B含量较高时，如水温低于10℃，可以只运行一级RO；水温在10～25℃时，需要运行二级RO；水温大于25℃时，则需要采取其他手段，才能保证产水B含量达到饮用水要求。

2.3 一级RO进水pH值对脱B效果的影响

以海水水质平均值为设计依据，海水中B含量取9.0 mg/l，一级RO产水量125 m3/d，原水pH值8.0，改变进水pH值，考察一级RO在不同水温下的脱B效果（见图3）。

由图3可见，在相同水温下，随着进料海水pH值的升高，RO产水中B含量降低，当pH值从8.0提高到8.5，从8.5到9.0，脱B率可提高40%以上。RO膜脱B率与进水pH值有关是因为随着pH值从8.0升高到9.0的过程中，溶液中产生了大量的Mg(OH)2胶粒，因胶粒带正电，使带负电荷的B(OH)4-很容易被吸附，B含量则逐渐下降。

图3 进水pH值对一级RO产水B含量的影响

所以，日常操作时可以通过增加一级RO的进水pH值来提高脱B率。但是由于随着进水pH值升高，其RO浓水侧pH值亦升高，直接导致水中一些难溶盐的结晶析出可能性增加，RO膜Langelier Saturation Index指数升高，容易造成膜结垢，增加膜的化学清洗频率，减少膜的使用寿命，所以一级RO进水pH值应控制在8.5左右，不宜过高。海水水温大于20℃时，一级RO产水不能达到饮用水标准，应考虑运行二级RO，进一步降低水中B含量。

2.4 二级RO进水pH值对脱B效果的影响

以海水水质平均值为设计依据，海水中B含量取9.0 mg/l，一级RO产水量125 m3/d，二级RO产水量100 m3/d，原水pH值8.0，不改变一级RO进水pH值，改变二级RO进水pH值，考察二级RO在不同水温下的脱B效果（见图4）。

图4 进水pH值对二级RO产水B含量的影响

可见，随着pH值升高，产水B含量下降。在20℃以下时，不需要改变二级RO进水的pH值，产水中B含量即可以达到饮用水标准。在20℃以上时，pH值达到10，二级RO产水B含量仍可以达到饮用水标准。但是，当pH值高于10.8后，RO进水中B的含量会有所回长，这是因为溶液中过量的OH-开始取代B(OH)4-而被Mg(OH)2吸附。综合以上讨论，利用调节二级RO的pH值以提高脱B率时，pH值应控制在10.0～10.8之间。

2.5 经济性分析

当海水温度处于10～20℃之间，B含量9.0 mg/l时，可以通过调节一级RO进水的pH值（方案一）或者采用二级RO（方案二）处理，保证出水B含量达到饮用水标准。比较这两种方案在产水量100 m3/d时的投资成本与成本（见表3、表4）。

表3 两种方案主要设备组成

表4 两种方案单位运行成本估算（元/m3）

由表3可见，在计算投资成本时，方案一比方案二膜元件和膜壳数量节省43%，其他设备组成如高压泵、多介质过滤器等的规格也相对较小。由表4可见，方案二的单位制水成本比方案一高27%左右。

经过上述综合比较，如果四季海水最高温度低于20℃时，可以采用一级RO法，通过调节进水pH值降低产水B含量，使产水满足饮用水标准。

3 结语

研究表明，利用反渗透（RO）进行海水淡化，随着水温的升高，产水中B含量也会升高；随着进水pH值的升高，产水中B含量将降低。当海水温度小于10℃时，即使海水中B含量达到9 mg/l，经过一级RO处理，产水中B含量仍能满足我国饮用水卫生标准；当海水温度处于10～20℃之间，海水中B含量9 mg/l时，通过调节一级RO进水pH值，经过一级RO处理，产水中B含量能够满足标准，且这种方法比较经济；当海水温度大于20℃，则需要经过二级RO处理，甚至提高二级RO进水的pH值，才能使产水中B含量满足标准规定。